大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 第二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 §2.1物理实验常用测量器具 实验中要测量各种各样的物理量,其中基本物理量如长度、质量、时间、温度、电 阻、电流、电压等的测量最为常见。基本物理量的测量是物理实验的基础,了解常用测 量器具的性能特点,掌握测量这些基本物理量的器具的原理和正确的实验方法是做好物 理实验的良好开端,是物理实验教学的基本要求之一,也是进行专业实验、从事科学研 究等工作的基础。本节仅对测量以上基本物理量的常用仪器作一简单介绍,更多的使用 方法和技巧希望同学们在实验中不断学习、摸索。 长度测量 米尺、游标卡尺和螺旋测微器是最常用的测长度的仪器.表征这些仪器主要规格的 有量程和分度值等量程是测量范围:分度值是仪器所标示的最小量度单位,分度值的大 小反映仪器的精密程度 米尺 米尺是最简单和最常用的测长仪器。实验室常用的米尺分直尺、钢卷尺等,有 50,100,200,500cm等规格。米尺的分度值是lmm,即只能准确地读到毫米位,毫米 以下的位是估读位,测量时根据实际可能和要求,估读出最小分度值的1/10,1/5,甚 至1/2。当测量长度不太大时,米尺的仪器误差一般可取最小分度值的一半,即最大估 计误差不会超过0.5mm 测量时可不用米尺的一端做测量起点,通常选择某个整数刻度值与被测物体一端对 齐,读出物体另一端对应的刻度值,两刻度值之差即为待测物体的长度 测量时应使米尺贴近被测物体或尽量靠近,垂直于米尺刻度盘读数,防止视差造成 读数误差 游标卡尺 游标卡尺是由主尺(米尺)和附加在主尺上的能沿主尺滑动的副尺(游标尺)构成的。 利用游标卡尺可以把米尺估读的那一位准确地读出来,得到比米尺更高的精度。如图 II.1所示,游标卡尺主要由两部分组成,一部分是与量爪1、3相联的主尺5:另一部 分是与量爪2、4及深度尺相联的游标(副尺)6。游标可紧贴在主尺上滑动,内量爪3、 4用来测量内径,外量爪1、2用来测量外径或厚度,深度尺7用来测量孔槽的深度 不同分度数(即格数)的游标,测量精确度不同。若用a表示主尺的最小分度值(即 最小格数),n表示游标的分度数。使n个游标分度的长度与主尺的(n-1)个最小格的长度 相等,则每一个游标分度的长度b为 b 显然,主尺最小分度值与游标分度值之差为
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 28 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 §2.1 物理实验常用测量器具 实验中要测量各种各样的物理量，其中基本物理量如长度、质量、时间、温度、电 阻、电流、电压等的测量最为常见。基本物理量的测量是物理实验的基础，了解常用测 量器具的性能特点，掌握测量这些基本物理量的器具的原理和正确的实验方法是做好物 理实验的良好开端，是物理实验教学的基本要求之一，也是进行专业实验、从事科学研 究等工作的基础。本节仅对测量以上基本物理量的常用仪器作一简单介绍，更多的使用 方法和技巧希望同学们在实验中不断学习、摸索。 一、 长度测量 米尺、游标卡尺和螺旋测微器是最常用的测长度的仪器．表征这些仪器主要规格的 有量程和分度值等量程是测量范围；分度值是仪器所标示的最小量度单位，分度值的大 小反映仪器的精密程度。 1．米尺 米尺是最简单和最常用的测长仪器。实验室常用的米尺分直尺、钢卷尺等，有 30， 50，100，200，500cm 等规格。米尺的分度值是 1mm，即只能准确地读到毫米位，毫米 以下的位是估读位，测量时根据实际可能和要求，估读出最小分度值的 1/10，1/5，甚 至 1/2。当测量长度不太大时，米尺的仪器误差一般可取最小分度值的一半，即最大估 计误差不会超过 0.5mm。 测量时可不用米尺的一端做测量起点，通常选择某个整数刻度值与被测物体一端对 齐，读出物体另一端对应的刻度值，两刻度值之差即为待测物体的长度。 测量时应使米尺贴近被测物体或尽量靠近，垂直于米尺刻度盘读数，防止视差造成 读数误差。 2．游标卡尺 游标卡尺是由主尺(米尺)和附加在主尺上的能沿主尺滑动的副尺(游标尺)构成的。 利用游标卡尺可以把米尺估读的那一位准确地读出来，得到比米尺更高的精度。 如图 II.1 所示，游标卡尺主要由两部分组成，一部分是与量爪 1、3 相联的主尺 5；另一部 分是与量爪 2、4 及深度尺相联的游标（副尺）6。游标可紧贴在主尺上滑动，内量爪 3、 4 用来测量内径，外量爪 1、2 用来测量外径或厚度，深度尺 7 用来测量孔槽的深度。 不同分度数(即格数)的游标，测量精确度不同。若用 a 表示主尺的最小分度值(即 最小格数)，n 表示游标的分度数。使 n 个游标分度的长度与主尺的(n-1)个最小格的长度 相等，则每一个游标分度的长度 b 为 n n a b ( 1) 显然，主尺最小分度值与游标分度值之差为
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 a-b 该差值称为游标常量,也即游标的最小读数值,它等于主尺最小刻度的1/n。 图Ⅱ1游标卡尺 1,2一外量爪:3,4一内量爪:5一主尺:6—副尺:7一尾尺:8一紧固螺钉 α为定值时,游标的格数n越大,其分度值就越小,游标卡尺的精确度也越高。若 主尺的最小分度值为1mm,游标分度数为10,20,50时(分别叫做:10分游标尺,20 分游标尺,50分游标尺),相应的最小读数分别为:01,005和002mm。除游标卡尺 外,其它有游标的仪器分度值判断和读数方法均与此相同。 以50分游标卡尺为例介绍其读数方法,主尺的分度值为a=1mm,游标副尺上有50 格(n=50),其总长度为49mm,游标的分度值为ar=0.02mm 测量时先将游标卡尺合拢,游标的0刻线应与主尺的0刻线对齐,如图Ⅱ2所示 若不对齐,应记下此初始读数,以作测量数据修正用。记被测物体的长度为l,则游标0 刻度与主尺0刻度的距离也是l,如图3所示。取mm为单位,可从主尺上直接读出长 度l的整数部分,记为b,从游标上读取余下部分的数值,记为△。方法为:先判定游 标上哪条刻线与主尺的一条刻线对齐得最好,就以该游标刻线为准,从游标上读出△l Δl即游标最小格值002mm乘以格数。参见图Ⅱ3,lo=2lmm,=0.02mm/格×24格 =048mm,则被测长度的测得值F/0+1=2148mm 图Ⅱ3
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 29 n a a n n a b a 1 该差值称为游标常量，也即游标的最小读数值，它等于主尺最小刻度的 1/n。 a 为定值时，游标的格数 n 越大，其分度值就越小，游标卡尺的精确度也越高。若 主尺的最小分度值为 1mm，游标分度数为 10，20，50 时(分别叫做：10 分游标尺，20 分游标尺，50 分游标尺)，相应的最小读数分别为：0.1，0.05 和 0.02mm。除游标卡尺 外，其它有游标的仪器分度值判断和读数方法均与此相同。 以 50 分游标卡尺为例介绍其读数方法，主尺的分度值为 a=1mm，游标副尺上有 50 格(n=50)，其总长度为 49mm，游标的分度值为 a/n=0.02mm。 测量时先将游标卡尺合拢，游标的 0 刻线应与主尺的 0 刻线对齐，如图 II.2 所示。 若不对齐，应记下此初始读数，以作测量数据修正用。记被测物体的长度为 l，则游标 0 刻度与主尺 0 刻度的距离也是 l，如图 3 所示。取 mm 为单位，可从主尺上直接读出长 度 l 的整数部分，记为 l0，从游标上读取余下部分的数值，记为 Δl。方法为：先判定游 标上哪条刻线与主尺的一条刻线对齐得最好，就以该游标刻线为准，从游标上读出 Δl， Δl 即游标最小格值 0.02mm 乘以格数。参见图 II.3，l0=21mm，l=0.02 mm／格×24 格 =0.48mm，则被测长度的测得值 l=l0+l=21.48mm。 图 II.2 图 II.3 图 II.1 游标卡尺 1，2—外量爪；3，4—内量爪；5—主尺；6—副尺；7—尾尺；8—紧固螺钉
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 测量时,量爪要卡正被测物体,松紧适当。勿用游标卡尺测表面粗糙的硬物,勿使 量爪中卡住的被测物挪动,以免磨损量刃。用毕卡尺,勿使量爪紧闭,并锁住紧固螺钉, 以避免因热膨胀效应损坏卡尺 3.螺旋测微计 螺旋测微计也称千分尺,是比游标卡尺更精密的长度测量仪器。常用螺旋测微计的 量程为25mm,分度值为001mm,准确度可达00lmm (1)结构与测量原理 螺旋测微计的主要部分是测微螺旋,如图Ⅱ4所示。图中5为精密测微螺杆,10 是与之配合的螺母套管,螺距为0.5mm。测微螺杆的后端套装一个50分度的微分筒8, 当微分筒相对螺母套管10转过一周时,测微螺杄沿轴冋移动一个螺距θ.5πmm。显然 当微分筒转过一个分度时,测微螺杆则移动0.5/50=0.01mm。因此,读取的微分筒转 过的刻度值就是测微螺杆沿轴向移动的距离,该距离由固定套筒7上的刻度读取,读数 是05mm的整数倍,余下部分由微分筒上的刻度读出。 图II.4 l—尺架:2—测砧测量面A:3—被测物体:4—一螺杆测量面B:5一测微螺杆 6—锁紧装置:7一固定套筒:8—微分筒:9—测力装置:10螺母套管 图II.4中的Ⅰ为螺旋测微计的弓形尺架,它的两端装有测砧2和测微螺杆。当转 动螺杆使测砧与螺杄测量面A和B刚好接触时,微分筒锥面的边缘应与固定套筒上的0 刻线对齐,同时微分筒上的零线也应与固定套筒上的轴向刻线对齐,这时的读数是 000mm,如 5(a)所示 图I1.5 (2)使用方法
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 30 测量时，量爪要卡正被测物体，松紧适当。勿用游标卡尺测表面粗糙的硬物，勿使 量爪中卡住的被测物挪动，以免磨损量刃。用毕卡尺，勿使量爪紧闭，并锁住紧固螺钉， 以避免因热膨胀效应损坏卡尺。 3．螺旋测微计 螺旋测微计也称千分尺，是比游标卡尺更精密的长度测量仪器。常用螺旋测微计的 量程为 25mm，分度值为 0.01mm，准确度可达 0.01mm。 (1)结构与测量原理 螺旋测微计的主要部分是测微螺旋，如图 II.4 所示。图中 5 为精密测微螺杆，10 是与之配合的螺母套管，螺距为 0.5mm。测微螺杆的后端套装一个 50 分度的微分筒 8， 当微分筒相对螺母套管 10 转过一周时，测微螺杆沿轴向移动一个螺距 0.5mm。显然， 当微分筒转过一个分度时，测微螺杆则移动 0.5／50=0.01mm。因此，读取的微分筒转 过的刻度值就是测微螺杆沿轴向移动的距离，该距离由固定套筒 7 上的刻度读取，读数 是 0.5mm 的整数倍，余下部分由微分筒上的刻度读出。 图 II.4 中的 1 为螺旋测微计的弓形尺架，它的两端装有测砧 2 和测微螺杆。当转 动螺杆使测砧与螺杆测量面 A 和 B 刚好接触时，微分筒锥面的边缘应与固定套筒上的 0 刻线对齐，同时微分筒上的零线也应与固定套筒上的轴向刻线对齐，这时的读数是 0.000mm，如图 II.5(a)所示。 (2)使用方法 (a) (b) (c) 图 II.5 图 II.4 1—尺架；2—测砧测量面 A； 3—被测物体；4—螺杆测量面 B；5—测微螺杆； 6—锁紧装置；7—固定套筒；8—微分筒；9—测力装置；10—螺母套管
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 把被测物体(如图II.4中的3)放在测量面A与B之间,轻轻转动测力装置9,使A 和B分别与物体接触,在转动中出现“咯咯”声时,即停转并可读数。以微分筒的边缘 为读数准线,先读取固定套筒上的刻度值,再以该筒上的轴向刻线为基准线读取微分筒 上的刻度值,应估读至微分筒最小刻度值的1/10,即0.001mm,故又称千分尺。 固定套筒上的标尺刻度分列于轴向刻线的两侧,一侧为1mm刻度,另一侧为05mm 刻度。如果微分筒前沿未超过0.5mm刻线,则可读出整毫米数,再加上微分筒上的读 数,即为被测数值,如图Ⅱ5(b)所示,可读为5376mm。如果微分筒前沿超过0.5mm刻 线,则只需在前述方法读取的数据后加05mm即可。如对图Ⅱ5(c)的情况可读为 6875mm。 (3)注意事项 ①测量前应检查0点是否对齐,若未对齐,应记下初始刻度值。若微分筒上的0刻 线在固定套筒的轴向刻线上侧,初始读数取正,反之取负。此初始读数为定值系统误差, 被测物体线度为:读数十初始读数。 ②刻度线总有一定的宽度,当固定套筒的轴向刻线很靠近微分筒上的0刻线时,务 必特别注意。通常微分筒上的0刻线在轴向刻线上方时,虽然固定套筒上的一条短刻度 线似乎已经显露,但读数时不能计人,否则会误加0500m ③螺旋测微计使用完毕,应使螺杄与测砧之间有一间隙,以免因热膨胀而损坏螺纹 对长度直接测量,通常采用米尺、游标卡尺和螺旋测微计。若待测线度很小,由于 人的视力限制及操作上的困难等,无法用上述测量器具直接测量,往往借助于显微镜或 望远镜将被测物的像放大或移至适当距离(如明视距离),然后与米尺、长度规(经严格 校准的刻度尺)或精密测微丝杆等比较而读取数据。利用显微镜、望远镜等光学仪器测 量长度,读数的准确度可达10mm,甚至达10m。 质量测量 质量是基本物理量之一,通常用天平测量。常用的有物理天平和分析天平。前者的 准确度较低,后者的较高。分析天平常用于化学分析,物理实验一般使用物理天平。现 在,电子天平的使用逐渐普遍,以下只介绍物理天平和天子天平的构造和使用。 1.物理天平 (1).物理天平的构造 物理天平如图I.6所示,它由底座、立柱、横梁和两个称盘等组成。横梁上有3 个刀口,中间的刀口支持在固定于升降杆顶端的刀垫上,调节手轮,可使横梁上升或下 降。两边的刀口用来支持称盘。横梁固接一指针,横梁摆动时,指针尖端随之在固定于 立柱下方的标尺前摆动。横梁两端有两个平衡螺母,用于天平空载时调节平衡。横梁上 装有游码,用于1g以下的称衡。底座上有水准器,旋转底座的可调节螺丝,使水准器 的气泡居中,即表明天平已处于工作位置。 (2).天平的调整和使用 (a)旋转天平底座下可调螺丝,使水准器的气泡居中。 (b)使游码前侧边对齐横梁的0刻线,转动手轮,支起横梁,待梁停摆后,指针应
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 31 把被测物体(如图 II.4 中的 3)放在测量面 A 与 B 之间，轻轻转动测力装置 9，使 A 和 B 分别与物体接触，在转动中出现“咯咯”声时，即停转并可读数。以微分筒的边缘 为读数准线，先读取固定套筒上的刻度值，再以该筒上的轴向刻线为基准线读取微分筒 上的刻度值，应估读至微分筒最小刻度值的 1／10，即 0.001mm，故又称千分尺。 固定套筒上的标尺刻度分列于轴向刻线的两侧，一侧为 1mm 刻度，另一侧为 0.5mm 刻度。如果微分筒前沿未超过 0.5mm 刻线，则可读出整毫米数，再加上微分筒上的读 数，即为被测数值，如图 II.5(b)所示，可读为 5.376mm。如果微分筒前沿超过 0.5mm 刻 线，则只需在前述方法读取的数据后加 0.5mm 即可。如对图 II.5(c)的情况可读为 6.875mm。 (3)注意事项 ①测量前应检查 0 点是否对齐，若未对齐，应记下初始刻度值。若微分筒上的 0 刻 线在固定套筒的轴向刻线上侧，初始读数取正，反之取负。此初始读数为定值系统误差， 被测物体线度为：读数十初始读数。 ②刻度线总有一定的宽度，当固定套筒的轴向刻线很靠近微分筒上的 0 刻线时，务 必特别注意。通常微分筒上的 0 刻线在轴向刻线上方时，虽然固定套筒上的一条短刻度 线似乎已经显露，但读数时不能计人，否则会误加 0.500mm。 ③螺旋测微计使用完毕，应使螺杆与测砧之间有一间隙，以免因热膨胀而损坏螺纹。 对长度直接测量，通常采用米尺、游标卡尺和螺旋测微计。若待测线度很小，由于 人的视力限制及操作上的困难等，无法用上述测量器具直接测量，往往借助于显微镜或 望远镜将被测物的像放大或移至适当距离(如明视距离)，然后与米尺、长度规(经严格 校准的刻度尺)或精密测微丝杆等比较而读取数据。利用显微镜、望远镜等光学仪器测 量长度，读数的准确度可达 10-3mm，甚至达 10-4m。 二、 质量测量 质量是基本物理量之一，通常用天平测量。常用的有物理天平和分析天平。前者的 准确度较低，后者的较高。分析天平常用于化学分析，物理实验一般使用物理天平。现 在，电子天平的使用逐渐普遍，以下只介绍物理天平和天子天平的构造和使用。 1．物理天平 （1）．物理天平的构造 物理天平如图 II.6 所示，它由底座、立柱、横梁和两个称盘等组成。横梁上有 3 个刀口，中间的刀口支持在固定于升降杆顶端的刀垫上，调节手轮，可使横梁上升或下 降。两边的刀口用来支持称盘。横梁固接一指针，横梁摆动时，指针尖端随之在固定于 立柱下方的标尺前摆动。横梁两端有两个平衡螺母，用于天平空载时调节平衡。横梁上 装有游码，用于 1g 以下的称衡。底座上有水准器，旋转底座的可调节螺丝，使水准器 的气泡居中，即表明天平已处于工作位置。 （2）．天平的调整和使用 (a)旋转天平底座下可调螺丝，使水准器的气泡居中。 (b)使游码前侧边对齐横梁的 0 刻线，转动手轮，支起横梁，待梁停摆后，指针应
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 位于标尺中央。如指针偏向一侧,调节横梁两端的平衡螺母(调节前应止动天平,即降 下横梁),直到支起横梁时指针指在标尺中央 (c)被称衡物体放在左 称盘中,右称盘放置砝码, 轻轻支起横梁,观察是否平 衡。如不平衡,则适当加减 砝码或移动游码,直至横梁 平衡为止。此时砝码的质量 加游码的读数即为物体的 质量 (3).注意事项 (a)使用天平时要缓 慢平稳地转动手轮。加减 砝码和移动游码前都必须 将横梁降下止动。 (b)被称物体和砝码都 应放在称盘中部,使用多个 砝码时,大砝码置中间,小 图II.6物理天平 砝码放在周围。 1.平衡螺母2.游码3.中刀托4.平衡螺母5.边刀吊架 (c)勿称衡质量超过天6横梁7.立柱8感量砣9.指针10.标尺1.气泡水准 器12.砝码13.砝码盘14.调平螺丝15.底座16.手轮 平称量范围的物体。 杯托盘18.待测物 (d)天平用毕,必须先 降下横梁,再取下物体和砝码。砝码放回砝码盒中,将称盘等清理干净。 (e)取放砝码必须用镊子,严禁手拿 2.电子天平 电子天平是最新一代的天平,是根据电磁力平衡原理,直接称量,全量程不需砝码。 放上称量物后,在几秒钟内即达到平衡,显示读数,称量速度快,精度高。电子天平的 支承点用弹性簧片,取代机械天平的玛瑙刀口,用差动变压器取代升降枢装置,用数字 显示代替指针刻度式。因而,电子天平具有使用寿命长、性能稳定、操作简便和灵敏度 高的特点。此外,电子天平还具有自动校正、自动去皮、超载指示、故障报警等功能以 及具有质量电信号输出功能,且可与打印机、计算机联用,进一步扩展其功能,如统计 称量的最大值、最小值、平均值及标准偏差等。由于电子天平具有机械天平无法比拟的 优点,尽管其价格较贵,但也会越来越广泛地应用于各个领域并逐步取代机械天平。 (1)电子天平结构原理 电子天平构造原理基本构造是相同的。见图I.7,主要由以下几个部分组成
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 32 位于标尺中央。如指针偏向一侧，调节横梁两端的平衡螺母(调节前应止动天平，即降 下横梁)，直到支起横梁时指针指在标尺中央。 (c)被称衡物体放在左 称盘中，右称盘放置砝码， 轻轻支起横梁，观察是否平 衡。如不平衡，则适当加减 砝码或移动游码，直至横梁 平衡为止。此时砝码的质量 加游码的读数即为物体的 质量。 (3)．注意事项 (a)使用天平时要缓 慢平稳地转动手轮。加减 砝码和移动游码前都必须 将横梁降下止动。 (b)被称物体和砝码都 应放在称盘中部，使用多个 砝码时，大砝码置中间，小 砝码放在周围。 (c)勿称衡质量超过天 平称量范围的物体。 (d)天平用毕，必须先 降下横梁，再取下物体和砝码。砝码放回砝码盒中，将称盘等清理干净。 (e)取放砝码必须用镊子，严禁手拿。 2. 电子天平 电子天平是最新一代的天平，是根据电磁力平衡原理，直接称量，全量程不需砝码。 放上称量物后，在几秒钟内即达到平衡，显示读数，称量速度快，精度高。电子天平的 支承点用弹性簧片，取代机械天平的玛瑙刀口，用差动变压器取代升降枢装置，用数字 显示代替指针刻度式。因而，电子天平具有使用寿命长、性能稳定、操作简便和灵敏度 高的特点。此外，电子天平还具有自动校正、自动去皮、超载指示、故障报警等功能以 及具有质量电信号输出功能，且可与打印机、计算机联用，进一步扩展其功能，如统计 称量的最大值、最小值、平均值及标准偏差等。由于电子天平具有机械天平无法比拟的 优点，尽管其价格较贵，但也会越来越广泛地应用于各个领域并逐步取代机械天平。 （1）电子天平结构原理 电子天平构造原理基本构造是相同的。见图 II.7，主要由以下几个部分组成： 图 II.6 物理天平 1.平衡螺母 2.游码 3.中刀托 4.平衡螺母 5.边刀吊架 6.横梁 7.立柱 8.感量砣 9.指针 10.标尺 11.气泡水准 器 12.砝码 13.砝码盘 14.调平螺丝 15.底座 16.手轮 17.杯托盘 18.待测物
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 a、秤盘 秤盘多为金属材料制成,安装在天平的传感器上,是天平进行称量的承受装置。它 具有一定的几何形状和厚度,以圆形和方形的居多。使用中应注意卫生清洁,更不要随 意掉换秤盘 传感器 传感器是的关键部件之一,由外壳、磁钢、 极靴和线圈等组成,装在秤盘的下方。它的精 度很高也很灵敏。应保持天平称量室的清洁, 切忌称样时撒落物品而影响传感器的正常工 c、位置检测器 位置检测器是由高灵敏度的远红外发光 管和对称式光敏电池组成的。它的作用是将秤 图Ⅱ7电子天平 盘上的载荷转变成电信号输出。 PID调节器 PID(比例、积分、微分)调节器的作用,就是保证传感器快速而稳定地工作 e、功率放大器 其作用是将微弱的信号进行放大,以保证天平的精度和工作要求。 f、低通滤波器 它的作用是排除外界和某些电器元件产生的高频信号的干扰,以保证传感器的输出 为一恒定的直流电压。 g、模数(A/D)转换器 它的优点在于转换精度高,易于自动调零能有效地排除干扰,将输入信号转换成数 字信号 h、微计算机 此部件可说是电子天平的关键部件了。它是电子天平的数据处理部件,它具有记忆、 计算和查表等功能 、显示器 现在的显示器基本上有两种:一种是数码管的显示器:另一种是液晶显示器。它们 的作用是将输出的数字信号显示在显示屏幕上 j、机壳 其作用是保护电子天平免受到灰尘等物质的侵害,同时也是电子元件的基座等。 k、底脚 电子天平的支撑部件,同时也是电子天平水平的调节部件,一般均靠后面两个调整 脚来调节天平的水平。 (2)电子天平操作程序(以JY系列电子天平为例) ①、调水平
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 33 a、秤盘 秤盘多为金属材料制成，安装在天平的传感器上，是天平进行称量的承受装置。它 具有一定的几何形状和厚度，以圆形和方形的居多。使用中应注意卫生清洁，更不要随 意掉换秤盘。 b、传感器 传感器是的关键部件之一，由外壳、磁钢、 极靴和线圈等组成，装在秤盘的下方。它的精 度很高也很灵敏。应保持天平称量室的清洁， 切忌称样时撒落物品而影响传感器的正常工 作。 c、位置检测器 位置检测器是由高灵敏度的远红外发光 管和对称式光敏电池组成的。它的作用是将秤 盘上的载荷转变成电信号输出。 d、PID 调节器 PID（比例、积分、微分）调节器的作用，就是保证传感器快速而稳定地工作。 e、 功率放大器 其作用是将微弱的信号进行放大，以保证天平的精度和工作要求。 f、低通滤波器 它的作用是排除外界和某些电器元件产生的高频信号的干扰，以保证传感器的输出 为一恒定的直流电压。 g、模数 (A/D)转换器 它的优点在于转换精度高，易于自动调零能有效地排除干扰，将输入信号转换成数 字信号。 h、微计算机 此部件可说是电子天平的关键部件了。它是电子天平的数据处理部件，它具有记忆、 计算和查表等功能。 i、显示器 现在的显示器基本上有两种：一种是数码管的显示器；另一种是液晶显示器。它们 的作用是将输出的数字信号显示在显示屏幕上。 j、机壳 其作用是保护电子天平免受到灰尘等物质的侵害，同时也是电子元件的基座等。 k、底脚 电子天平的支撑部件，同时也是电子天平水平的调节部件，一般均靠后面两个调整 脚来调节天平的水平。 （2）电子天平操作程序（以 JY 系列电子天平为例） ①、调水平 图 II.7 电子天平
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 调整地脚螺栓高度,使水平仪内空气气泡位于圆环中央 ②、开机 安装电池或接通电源变压器,按开关键,天平自检,显示天平型号后,显示“0.0g 表示机器正常,可以使用。 ③、预热 电子天平接通电源后一般1~2分钟即可使用,但若对精度有较高要求时,在初次 接通电源或长时间断电之后,至少需要预热30分钟。为取得理想的测量结果,天平应 保持在待机状态 ④、校正 首次使用天平或长时间使用后须进行校正。按一下校正键天平显示全“0”,,再长 按键10秒左右,显示窗出现“C-XX”(校正砝码值),几秒钟后显示“0.0g”,此时将 相应的校正砝码放在天平秤盘上,显示窗显示“-”(表示等待)。几秒钟后显示上述校 正砝码值,天平自动完成矫正。若仍不准确,可按上述方法在进行一次矫正 ⑤、称量 将重物放于秤盘上,待示数稳定后,即为该重物的的重量 ⑥、去皮 按一下除皮键“T”,即可除皮清零。若重量还未稳定,可再次去皮 ⑦、计数 电子天平可以对具有相同重量的物体进行计数。长按除皮键“T”,显示屏将在0.0g →CAL→10P→25P→…→—g之间循环,在哪一个显示时松开,即进入该状态。如在显 示25P时松开,表示计数标准为25个样本,将25个待计数物体(样本)放于秤盘上, 十几秒后显示“PASS”再显示“PCS”,表示校准完毕,然后放置任意个相同重量的物体 后,将显示物体(样本)个数 ⑧、关机 天平应一直保持通电状态(24小时),不使用时将开关键关至待机状态,使天平 保持保温状态,可延长天平使用寿命 (3)电子天平使用注意事项 ①、待称物体的重量不能超过天平的量程。不可用手或其他重物按压秤盘,以免损 坏天平 ②、将天平置于稳定的工作台上,避免振动、气流及阳光照射 ③、在使用前,调整水平仪气泡至中间位置,否则读数不准 ④、电子天平使用时,称量物品之重心,须位于秤盘中心点;称量物品时应遵循逐 次添加原则,轻拿轻放,避免对传感器造成冲击,损坏天平 ⑤、称量易挥发和具有腐蚀性的物品时,要盛放在密闭的容器中,以免腐蚀和损坏 电子天平。另外,若有液体滴于称盘上,立即用吸水纸轻轻吸干,不可用抹布等粗糙物 擦拭。 ⑥、每次使用完天平后,应对天平内部、外部周围区域进行清理,不可把待称量物
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 34 调整地脚螺栓高度，使水平仪内空气气泡位于圆环中央。 ②、开机 安装电池或接通电源变压器，按开关键，天平自检，显示天平型号后，显示“0.0g”， 表示机器正常，可以使用。 ③、预热 电子天平接通电源后一般 1～2 分钟即可使用，但若对精度有较高要求时，在初次 接通电源或长时间断电之后，至少需要预热 30 分钟。为取得理想的测量结果，天平应 保持在待机状态。 ④、校正 首次使用天平或长时间使用后须进行校正。按一下校正键天平显示全“0”，，再长 按键 10 秒左右，显示窗出现“C-XXX”(校正砝码值)，几秒钟后显示“0.0g”，此时将 相应的校正砝码放在天平秤盘上，显示窗显示“-”（表示等待）。几秒钟后显示上述校 正砝码值，天平自动完成矫正。若仍不准确，可按上述方法在进行一次矫正。 ⑤、称量 将重物放于秤盘上，待示数稳定后，即为该重物的的重量。 ⑥、去皮 按一下除皮键“T”，即可除皮清零。若重量还未稳定，可再次去皮。 ⑦、计数 电子天平可以对具有相同重量的物体进行计数。长按除皮键“T”，显示屏将在 0.0g →CAL→10P→25P→…→----g 之间循环，在哪一个显示时松开，即进入该状态。如在显 示 25P 时松开，表示计数标准为 25 个样本，将 25 个待计数物体（样本）放于秤盘上， 十几秒后显示“PASS”再显示“PCS”，表示校准完毕，然后放置任意个相同重量的物体 后，将显示物体（样本）个数。 ⑧、关机： 天平应一直保持通电状态（２４小时），不使用时将开关键关至待机状态，使天平 保持保温状态，可延长天平使用寿命。 （3）电子天平使用注意事项 ①、待称物体的重量不能超过天平的量程。不可用手或其他重物按压秤盘，以免损 坏天平。 ②、将天平置于稳定的工作台上，避免振动、气流及阳光照射。 ③、在使用前，调整水平仪气泡至中间位置，否则读数不准。 ④、电子天平使用时，称量物品之重心，须位于秤盘中心点；称量物品时应遵循逐 次添加原则，轻拿轻放，避免对传感器造成冲击，损坏天平。 ⑤、称量易挥发和具有腐蚀性的物品时，要盛放在密闭的容器中，以免腐蚀和损坏 电子天平。另外，若有液体滴于称盘上，立即用吸水纸轻轻吸干，不可用抹布等粗糙物 擦拭。 ⑥、每次使用完天平后，应对天平内部、外部周围区域进行清理，不可把待称量物
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 品长时间放置于天平周围,影响后续使用 ⑦、仪器管理人经常对电子天平进行校准,一般应3个月校一次,保证其处于最佳 状态.使天平内干燥剂保持蓝色状态,及时更换。 三、时间测量 测量时间的方法很多,测时器具通常基于物体机械、电磁或原子等运动的周期性而 设计的。目前,利用原子周期性运动制造的原子钟精确度为最高。实验室常用的计时器 有机械式秒表、电子秒表和数字毫秒计等。机械式秒表功能比较简单,且目前使用逐渐 减少。功能单一的数字毫秒计也逐渐被智能型毫 秒计代替。下面介绍功能较多的电子秒表的功能 和使用方法,而智能型毫秒计参见实验二 电子秒表: 实验室所用的电子秒表即石英液晶精密计时 显示屏 器。其机芯全部由电子元件组成,利用石英振 荡频率作为时间基准。具有6位液晶数字显示器, 显示出月、日、星期、时、分、秒,并有102S ) 计数的单针秒表和双针秒表功能。有的在机芯内 还装有硅太阳电池,可以延长表内氧化银电池的 寿命 1/100秒 电子秒表的外形如图Ⅱ8所示。由于此种表 的功能较多,而在实验室主要用于计时,这里只 图Ⅲ8电子秒 介绍100秒计时的使用方法。表壳配有四个按 钮,S1为起动、停止、调整按钮,S2为功能转换按钮。S3为选择按钮,S4为分段、设置、 复零按钮。首先,按S2,置于秒表功能状态。 (1)基本秒表功能 按S1秒表开始计时,再按S,计时停止。秒表显示计时数据。按S4复零。 按S1秒表开始计时,再按S1,计时停止。再按S1秒表累加计时,再按S1计时停止。 此往复,实现累加计时。 (2)分段计时功能 分段计时功能即用一个秒表可同时记录两段时间,分段计时又分为标准分段计时与 部分分段计时 标准分段计时即两段时间同时开始,不同时结束。使用方法为:按S3置于标准分 段计时状态。按S开始计时,按S4第一段计时结束,显示第一段计时时间。按S1第二 段计时结束,仍显示第一段计时时间。按S4显示第二段时间。按S4复零。 部分分段计时即第一段计时结束时,第二段计时同时开始。使用方法为:按S3置 于部分分段计时状态。按S1第一段计时开始,按S4第一段计时结束,显示第一段时间, 同时第二段计时开始。再按S1,第二段计时结束,仍显示第一段时间。按S4,显示第二
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 35 品长时间放置于天平周围，影响后续使用。 ⑦、仪器管理人经常对电子天平进行校准，一般应３个月校一次，保证其处于最佳 状态．使天平内干燥剂保持蓝色状态，及时更换。 三、时间测量 测量时间的方法很多，测时器具通常基于物体机械、电磁或原子等运动的周期性而 设计的。目前，利用原子周期性运动制造的原子钟精确度为最高。实验室常用的计时器 有机械式秒表、电子秒表和数字毫秒计等。机械式秒表功能比较简单，且目前使用逐渐 减少。功能单一的数字毫秒计也逐渐被智能型毫 秒计代替。下面介绍功能较多的电子秒表的功能 和使用方法，而智能型毫秒计参见实验二。 电子秒表： 实验室所用的电子秒表即石英液晶精密计时 器。其机芯全部由电子元件组成，利用 石英振 荡频率作为时间基准。具有 6 位液晶数字显示器， 显示出月、日、星期、时、分、秒，并有 10-2S 计数的单针秒表和双针秒表功能。有的在机芯内 还装有硅太阳电池，可以延长表内氧化银电池的 寿命。 电子秒表的外形如图 II.8 所示。由于此种表 的功能较多，而在实验室主要用于计时，这里只 介绍 1/100 秒计时的使用方法。表壳配有四个按 钮，S1为起动、停止、调整按钮，S2 为功能转换按钮。S3 为选择按钮，S4 为分段、设置、 复零按钮。首先，按 S2，置于秒表功能状态。 （1）基本秒表功能 按 S1秒表开始计时，再按 S1，计时停止。秒表显示计时数据。按 S4 复零。 按 S1秒表开始计时，再按 S1，计时停止。再按 S1 秒表累加计时，再按 S1计时停止。 如此往复，实现累加计时。 （2）分段计时功能 分段计时功能即用一个秒表可同时记录两段时间，分段计时又分为标准分段计时与 部分分段计时。 标准分段计时即两段时间同时开始，不同时结束。使用方法为：按 S3 置于标准分 段计时状态。按 S1 开始计时，按 S4 第一段计时结束，显示第一段计时时间。按 S1第二 段计时结束，仍显示第一段计时时间。按 S4显示第二段时间。按 S4 复零。 部分分段计时即第一段计时结束时，第二段计时同时开始。使用方法为：按 S3 置 于部分分段计时状态。按 S1 第一段计时开始，按 S4第一段计时结束，显示第一段时间， 同时第二段计时开始。再按 S1，第二段计时结束，仍显示第一段时间。按 S4，显示第二 图 II.8 电子秒 表
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 段计时时间。按S4复零 四、温度测量 1.水银温度计(水银一玻璃温度计) 利用液体体积受热膨胀和受冷收缩的性质测定温度的温度计叫液体温度计。最为常 用的是水银温度计(水银一玻璃温度计)。其优点为构造简单,读数方便,水银与玻璃管 壁不相粘附,在标准大气压下,在-38.87~356.58范围内水银为液态,膨胀系数变化 很小,可视其体积的改变量与温度的改变量成正比。其缺点是玻璃毛细管内径不均匀 玻璃热膨胀后不易恢复原状,即有热滞后现象,并且易碎,撒出的水银会造成污染等 规定:冰点纯冰和纯水在101.3kPa(latm)下达到平衡的温度]为0℃,汽点(纯水和 水蒸气在蒸汽压为101.3kPa时达到平衡的温度)为100℃。温度计标度是定出冰点与汽 点刻度后,将两刻度之间的玻璃管长度均分,若分为100等份,每一等份就是1℃。实 验室常用的水银温度计有最小分度值为01,02和1℃等几种。 液体温度计有“半浸式”和“全浸式”两种。使用液体温度计应将温度计插入被测 介质至温度计上的“浸没线”处。读数时 视线应正对读数并与温度计垂直,以防视差 造成读数误差:测量室温时,勿使其他物体 或手等触到储液泡 对于标度正确的温度计,在使用中为保 14 证测量的精确度,需注意以下几点: (1)零点位置的确定。一般是将液体温 度计加热至标尺上限的温度后,取出温度 计,待液柱降至室温,再将它“全浸”入容 有冰水混合物的槽内,测出相应的刻度值作 为零点修正值。 (2)液体温度计露出部分的影响。在实 际使用中,往往不能使玻璃管全部浸入待测 介质中,露出的部分与待测介质难以达到热 平衡,故应注意修正 图IL.9数字温度计 (3)热滞后影响。当待测介质的温度变 1.传感器接口2.电源开关3.校正按钮 化时,液体温度计由于存在热滞后现象,其7温度显示8.保护套9传多调节 4.传感器柄5.满度值6.满度 读数不能及时反映待测介质的实际温度,应 予修正 2.数字温度计 采用热敏电阻为感温元件的数字温度计,体积小,重量轻,灵敏度高,稳定性好, 适用于对各种气体、液体和固体的温度测量。更换不同形式的传感器,可用作各种待测 系统的温度的测量。图I.9所示数字温度计的使用方法如下 按下电源开关接通电源,显示屏应有数字显示。按下校正按钮,显示屏应显示面板
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 36 段计时时间。按 S4复零。 四、温度测量 1．水银温度计(水银—玻璃温度计) 利用液体体积受热膨胀和受冷收缩的性质测定温度的温度计叫液体温度计。最为常 用的是水银温度计(水银—玻璃温度计)。其优点为构造简单，读数方便，水银与玻璃管 壁不相粘附，在标准大气压下，在-38.87～356.58C 范围内水银为液态，膨胀系数变化 很小，可视其体积的改变量与温度的改变量成正比。其缺点是玻璃毛细管内径不均匀， 玻璃热膨胀后不易恢复原状，即有热滞后现象，并且易碎，撒出的水银会造成污染等。 规定：冰点[纯冰和纯水在 101.3kPa(1atm)下达到平衡的温度]为 0℃，汽点(纯水和 水蒸气在蒸汽压为 101.3kPa 时达到平衡的温度)为 100℃。温度计标度是定出冰点与汽 点刻度后，将两刻度之间的玻璃管长度均分，若分为 100 等份，每一等份就是 1℃。实 验室常用的水银温度计有最小分度值为 0.1，0.2 和 1℃等几种。 液体温度计有“半浸式”和“全浸式”两种。使用液体温度计应将温度计插入被测 介质至温度计上的“浸没线”处。读数时， 视线应正对读数并与温度计垂直，以防视差 造成读数误差；测量室温时，勿使其他物体 或手等触到储液泡。 对于标度正确的温度计，在使用中为保 证测量的精确度，需注意以下几点： (1)零点位置的确定。一般是将液体温 度计加热至标尺上限的温度后，取出温度 计，待液柱降至室温，再将它“全浸”入容 有冰水混合物的槽内，测出相应的刻度值作 为零点修正值。 (2)液体温度计露出部分的影响。在实 际使用中，往往不能使玻璃管全部浸入待测 介质中，露出的部分与待测介质难以达到热 平衡，故应注意修正。 (3)热滞后影响。当待测介质的温度变 化时，液体温度计由于存在热滞后现象，其 读数不能及时反映待测介质的实际温度，应 予修正。 2．数字温度计 采用热敏电阻为感温元件的数字温度计，体积小，重量轻，灵敏度高，稳定性好， 适用于对各种气体、液体和固体的温度测量。更换不同形式的传感器，可用作各种待测 系统的温度的测量。图 II.9 所示数字温度计的使用方法如下： 按下电源开关接通电源，显示屏应有数字显示。按下校正按钮，显示屏应显示面板 图 II.9 数字温度计 1.传感器接口 2.电源开关 3.校正按钮 4.传感器柄 5.满度值 6.满度调节 7.温度显示 8.保护套 9.传感器
大学物理实验 二章常用测量器具及物理实验基本方法和技术 所标明的满度值,随即调节满度电位器,使之与所标满度值相等。放开校正按钮,根据 待测量温度范围拨正量程开关,这时显示屏上出现被测系统的温度。 3.热电偶(温差电偶) 将两种不同的金属材料两端彼此焊接成一闭合回路,即制成热电偶。若使两接点处 在不同温度下,回路中就会产生电动势及电流,这种现象为温差电现象,该电动势称作 温差电动势。温差电动势的大小与组成热电偶的金属材料有关,与热端和冷端的温度差 有关,在测量温度变化范围不大的情况下,可近似看作成线性关系,当热电偶的高、低 温端温度为T和T时,其温差电动势E=α(T-T)。其中α称为热电偶的温差系数。 通常把冷端置入冰水混合物中,即低温端为0℃。测出温差电动势,由该热电偶的校准 的曲线或数据,就可得知待测温度。 热电偶的测温范围广,(使用范围为-200~2000℃):灵敏度和准确度很高(在103℃ 以下),特别是铂和铑的合金制成的热电偶稳定性很高,常用作标准温度计等。 常用的热电偶有以下几种:铜-康铜热电偶,用于300℃以下的温度测量:测高达 l100℃的温度用镍铬—镍镁合金组成的热电偶;测更高的温度,通常用铂一铂铑合金的 热电偶(测温范围为-200~1700℃);如果温度高达2000C,则可用钨一钛热电偶 五、电流测量 电磁学测量器具种类繁多,结构与功能千差万别。第一类是作为测量单位标准的度 量器,如标准电池、标准电阻等:第二类则是将被测量与度量器进行比较,然后确定出 被测量的较量仪器,如电桥、电位差计等:第三类是能直接读出被测量大小的直读仪表。 此外,还有一些辅助器具,如电源、开关、滑线变阻器等。 电测仪表的类型、性能、实验条件等一般在表盘上都有表示,电表性能标志见表1 般它们都位于电表面板的右下角或左下角。必须明确各种标识符号及其意义,才能保 表1 符号 符号 意义 符号 ∩电式仪⊙变直@① 以指示值的自分 数表示准确度等级 非。电崛式⊥(+) 仪表故置) 以标民量程的自分 05-1 数表示准确度等 静电式口(-)水平 绝缘强度实验电压 整流式 ∠·☆ 检流式(x)=接地端 三防外磁场和 电场 证使用的合理,保证电测仪表的精确性
大学物理实验 第二章 常用测量器具及物理实验基本方法和技术 37 所标明的满度值，随即调节满度电位器，使之与所标满度值相等。放开校正按钮，根据 待测量温度范围拨正量程开关，这时显示屏上出现被测系统的温度。 3．热电偶(温差电偶) 将两种不同的金属材料两端彼此焊接成一闭合回路，即制成热电偶。若使两接点处 在不同温度下，回路中就会产生电动势及电流，这种现象为温差电现象，该电动势称作 温差电动势。温差电动势的大小与组成热电偶的金属材料有关，与热端和冷端的温度差 有关，在测量温度变化范围不大的情况下，可近似看作成线性关系，当热电偶的高、低 温端温度为 T 和 T0时，其温差电动势 ( ) E T T0 。其中 α 称为热电偶的温差系数。 通常把冷端置入冰水混合物中，即低温端为 0℃。测出温差电动势，由该热电偶的校准 的曲线或数据，就可得知待测温度。 热电偶的测温范围广，(使用范围为-200～2000℃)；灵敏度和准确度很高(在 10-3℃ 以下)，特别是铂和铑的合金制成的热电偶稳定性很高，常用作标准温度计等。 常用的热电偶有以下几种：铜-康铜热电偶，用于 300℃以下的温度测量；测高达 1100℃的温度用镍铬—镍镁合金组成的热电偶；测更高的温度，通常用铂一铂铑合金的 热电偶(测温范围为-200～1700℃)；如果温度高达 2000C，则可用钨—钛热电偶。 五、电流测量 电磁学测量器具种类繁多，结构与功能千差万别。第一类是作为测量单位标准的度 量器，如标准电池、标准电阻等；第二类则是将被测量与度量器进行比较，然后确定出 被测量的较量仪器，如电桥、电位差计等；第三类是能直接读出被测量大小的直读仪表。 此外，还有一些辅助器具，如电源、开关、滑线变阻器等。 电测仪表的类型、性能、实验条件等一般在表盘上都有表示，电表性能标志见表 1， 一般它们都位于电表面板的右下角或左下角。必须明确各种标识符号及其意义，才能保 证使用的合理，保证电测仪表的精确性。 表 1
